Grafika komputerowa

(1)

Grafika komputerowa

Adam Wojciechowski

(2)

Grafika komputerowa

Grafika komputerowa podstawowe pojęcia i

zastosowania

(3)

Grafika komputerowa - definicja

Grafika komputerowa - dział informatyki zajmujący się

wykorzystaniem komputerów do

generowania obrazów oraz wizualizacją rzeczywistych danych. Grafika

komputerowa jest obecnie narzędziem stosowanym powszechnie w nauce,

technice, kulturze oraz rozrywce.

(4)

Grafika komputerowa - podział

• Grafika rastrowa - obraz jest budowany z prostokątnej siatki leżących blisko siebie punktów (tzw. pikseli). Głównym

parametrem w przypadku

grafiki rastrowej jest wielkość bitmapy, czyli liczba pikseli,

podawana na ogół jako wymiary prostokąta

• Grafika wektorowa - obraz jest rysowany za pomocą

kresek lub łuków

Technika tworzenia obrazów

(5)

Grafika komputerowa - podział

Charakter przedstawianych danych

• Grafika dwuwymiarowa 2D - wszystkie obiekty są płaskie (w szczególności każdy obraz rastrowy wpada do tej kategorii).

• Grafika trójwymiarowa 3D - obiekty są umieszczone w

przestrzeni trójwymiarowej i celem programu komputerowego jest przede wszystkim przedstawienie trójwymiarowego świata na

dwuwymiarowym obrazie.

Cykl generacji obrazu

• Grafika nieinterakcyjna

• Grafika interakcyjna

• Grafika czasu rzeczywistego

(6)

Grafika - zastosowania

Wizualizacja naukowa

(7)

Grafika - zastosowania

Obróbka obrazów - usuwanie szumów (analiza Fouriera)

Powierzchnia monokryształu Au

(8)

Grafika - zastosowania

Obróbka obrazów - wzmacnianie krawędzi (transformata Laplace’a)

przed po

- szukanie krawędzi (metoda gradientów)

(9)

Grafika - zastosowania

Edukacja - wizualizacja:

- kształtów brył i powierzchni (matematyka) - związków chemicznych (chemia)

- mapy topograficzne i struktury geologiczne (geografia)

(10)

Grafika - zastosowania

Wizualizacja medyczna - tomografia

komputerowa, rezonans magnetyczny

(11)

Grafika - zastosowania

Projektowanie komputerowe CAD

(12)

Grafika - zastosowania

Film i rozrywka

Pixar: Toy story 1995

Universal: Jurassic Park 1993

(13)

Grafika - zastosowania

Gry komputerowe stymulują rozwój oprogramowania i sprzętu

Microsoft: Age of Empire 1

(14)

Grafika - oczekiwania a możliwości

Oczekiwania

Możliwość uzyskania najwierniejszego odtworzenia rzeczywistości w możliwie najkrótszym czasie

Środki

Komputery Oprogramowanie

(15)

Grafika komputerowa

Teoria światła i barwy

(16)

fiolet - niebieski - cyan - zielony - żółty - pomarańczowy - czerwony

Światło białe składa się ze wszystkich długości fal elektromagnetycznych z zakresu widzialnego

(400nm ÷ 700nm), występujących w nim w równych ilościach.

Ś Ś wiatło wiatło

400nm 700nm

Spektrum światła białego:

(17)

Powstawanie wrażenia barwy

1. Od źródła światła do człowieka

Światło może docierać do oka bezpośrednio ze źródła światła lub po odbiciu

od obiektu.

Postrzegana barwa obiektu zależy od barwy światła

i od tego, które długości fal

potrafi odbijać.

(18)

2. Z oka do mózgu

• Na siatkówce oka tworzony jest pomniejszony i odwrócony obraz obserwowanego obiektu.

• Receptory siatkówki przekształcają informację o natężeniu światła i długości fal świetlnych na impulsy, które przez nerw wzrokowy przesyłane są do mózgu.

• Mózg interpretuje te informacje jako jasność

i barwę.

(19)

Rodzaje receptorów siatkówki:

Pręciki (120 milionów) rozpoznają poziomy

jasności i odpowiadają za widzenie o zmroku.

Czopki (6,5 miliona) reagują na kolor.

Istnieją trzy typy czopków, przy czym każdy osiąga wysoką czułość dla innego zakresu widma

optycznego.

Funkcja czułości czopków na kolor [FOLE95]

(20)

Trzecie prawo Grassmana

Każdą dowolnie wybraną barwę można otrzymać za pomocą trzech liniowo niezależnych barw.

Trzy barwy tworzą układ niezależnych liniowo barw, jeżeli dowolne zsumowanie dwóch z nich nie może dać trzeciej barwy układu.

Cyan

Yellow R Magenta

G B

(21)

Krzywa fotometryczna CIE. Statystyczny wynik eksperymentu dopasowania jaskrawości światła pochodzącego ze źródła monochromatycznego do różnych długości fali (1924r., 100 obserwatorów)

Zmienia się wraz z długością fali L = 0,299R + 0,587G + 0,114B

Czułość oka na jasność światła

(22)

e2

e1 λ

Atrybuty barwy Atrybuty barwy

Odcień barwy (kolor, ton, Hue) - różnica jakościowa barwy (np. czerwony, zielony), określana w fizyce przez dominującą długość fali.

Nasycenie (Saturation) - odstępstwo barwy od bieli (np. czerwień, róż, biel), określane w fizyce przez czystość pobudzenia (e

₂

-e

₁

) Jasność (wartość, Value) - wskazuje czy

barwa jest bliższa bieli czy czerni (np. czysta biel, szarości, czerń), w fizyce jest

proporcjonalna do całki z widmowego rozkładu

energii.

(23)

Grafika komputerowa

Modele barw

„Jeżeli w grafice komputerowej chcemy korzystać z barw w sposób precyzyjny, to musimy umieć je określić i mierzyć.”

J. Foley

(24)

1. Model barw RGB

Ukierunkowany jest na sprzęt tworzący barwę w wyniku

emisji światła: monitory, skanery, cyfrowe aparaty fotograficzne.

Spektrum monitora:

czerwony (Red) - zielony (Green) - niebieski (Blue)

Grupa trzech plamek luminoforów emituje światło

o barwach R, G, B. Barwa piksela jest addytywną

mieszaniną tych barw.

(25)

Barwa piksela = (r,g,b)

R R

G G B B

1 1

1 1 1 1

0 0

R = (1,0,0) G = (0,1,0) B = (0,0,1) C = (0,1,1) M = (1,0,1) Y = (1,1,0)

czarna = (0,0,0) biała = (1,1,1)

neutralna 50% szarość =

(0.5, 0.5, 0.5)

(26)

Sprzętowe tryby barwy RGB Sprzętowe tryby barwy RGB

Wartość barwy - liczbowa reprezentacja barwy piksela.

Głębokość bitowa - liczba bitów przeznaczona w danym trybie RGB do zapisu wartości barwy.

Obraz dwubarwny:

• liczba możliwych do uzyskania barw: 2,

• wartość barwy: { 0, 1},

• głębokość bitowa: 1.

(27)

Obraz w skali Obraz w skali

szarości szarości (256 odcieni) (256 odcieni)

2⁸ = 256 2⁵ = 32 2⁴ = 16 2³ = 8 2² = 4 2¹ = 2

Skale szarości:

(28)

Paleta barw:

• liczba możliwych do uzyskania barw:

wybrana z określonej gamy barw, np. 2

⁸

= 256,

• wartość barwy: { 0, 1, 2, ..., 255 },

• głębokość bitowa: 8.

(29)

x

y

Pamięć obrazu o głębokości 8 bitów/piksel

ekran

111111111111000000 19 0 255 . . .

Tabela barw LUT (Look-Up Table) wskazywana indeksem

8-bitowym

19 RAMDAC = LUT + DAC

00000 111111

111111

Zamień sygnał cyfrowy na analogowy

DAC (Digital to Analog Converter)

(30)

True True Color Color : :

• liczba możliwych do uzyskania barw:

2

^8×3

= 16 777216,

• wartość barwy: { R, G, B }, gdzie R, G, B ∈<0,255>,

• głębokość bitowa: 24.

(31)

Palety pośrednie:

• liczba możliwych do uzyskania

barw: 2

^{3 × 5}

= 32 768 lub 2

^(5+6+5)

= 65 536,

• wartość barwy: { R, G, B },

• głębokość bitowa: 15 lub 16.

Obliczenie wielkości pamięci obrazu:

(n×m) × głębokość bitowa barwy

Obraz True Color:

800×600×24 = 1,37 MB, 1024×768×24 = 2,25 MB Obraz dwubarwny:

800×600 bitów = 60000B = 60000/1024 KB = 58,6KB

1B = 8 bitów, 1KB = 1024B, 1MB = 1024KB

n

m

(32)

2. Model barw CMY 2. Model barw CMY

Ukierunkowany jest na

sprzęt drukujący: drukarki, maszyny drukarskie.

Cyan - Magenta - Yellow

Barwy podstawowe:

Pigment farb/atramentów pochłania określone

długości fali, a odbija pozostałe. Dlatego farby druku

C, M, Y nazywa się subtraktywnymi.

(33)

Barwa piksela = (c,m,y)

C C

M M Y Y

1 1

1 1 1 1

0 0

C = (1,0,0) M = (0,1,0) Y = (0,0,1) R = (0,1,1) G = (1,0,1) B = (1,1,0)

czarna = (1,1,1) biała = (0,0,0)

neutralna 50% szarość = (0.5, 0.5, 0.5)

(34)

3. Model barw CMYK 3. Model barw CMYK

W modelu CMY równe ilości trzech barw podstawowych

(c=m=y) tworzą neutralną szarość, która w modelu CMYK jest generowana przez czwartą barwę podstawową K

(blacK - czarny).

( (

( +

0.2 0.4

0.4

0.5

0.6 0.4 0.9 C M Y

) )

)

( (

( +

0.2 0.4 0.5

0.2 0.5

C M Y K

) )

) 0.4 CMY = (c, m, y) → CMYK = (c - k, m - k, y - k, k)

k

_max

= {c, m, y}

_min

(35)

Reprodukcja barwy CMYK Reprodukcja barwy CMYK

1. Drukarki komputerowe 1. Drukarki komputerowe

Drukarki komputerowe drukują na rastrze małe punkty o stałej wielkości. Aby uzyskać odcienie koloru stosuje się rastrowanie bazujace na mikrowzorach lub stochastyczne.

Mikrowzory po lewo, rastrowanie stochastyczne po prawo (powiększenie) [„The theory and practice of color”, dokumentacja drukarki Epson Stylus Color].

(36)

2. Maszyny drukarskie 2. Maszyny drukarskie

Maszyny drukarskie drukują w oczkach rastra punkty

o różnej wielkości, nazywane

półtonami.

(37)

Kolorowe materiały ilustracyjne CMYK rozbija się dla druku nakładowego na cztery obrazy, tzw. wyciągi (separacje) barwne.

Każdy wyciąg jest utworzony na oddzielnym rastrze.

[FOLE95]

(38)

3. Podsumowanie 3. Podsumowanie

1. 1. Ze względu na zanieczyszczenie atramentów

wydrukowana barwa CMYK różni się od barwy CMY.

UCR (Under Color Removal) - odtwarza neutralną szarość jedynie przy pomocy czarnego atramentu, k=k_max:

CMY = (0.4, 0.6, 0.9), k_max = 0.4, CMYK = (0.0, 0.2, 0.5, 0.4)

ilość atramentu:

CMY = 40%+60%+90% = 190%

CMYK = 0%+20%+50%+40% = 110%

GCRGCR (Gray Component Replacement) - zamienia na atrament K tylko część szarego składnika, k<k_max

2. 2. Drukarki stosują własne procedury generowania czerni,

więc nie mamy kontroli nad tym procesem. Uzyskuje się ją

przy tworzeniu wyciągów barwnych dla druku w drukarni:

(39)

3. Czerń dodaje się tylko do ciemnych obszarów obrazu. 3.

4. Przy tworzeniu koloru neutralnego urządzenia drukujące 4.

posługują się krzywymi mieszania atramentów

uwzględniającymi ich zanieczyszczenie.

(40)

4. Model barw HSV

4. Model barw HSV Hue - Saturation - Value

Barwa HSV = (0, 0.3, 0.8)

s=0.3 v=0.8

V S

h=0=const.

(41)

Corel Draw

3D studio max

(42)

5. Model barw CIE 5. Model barw CIE

Dowolna barwa C jest

dodatnio ważoną sumą barw X, Y, Z.

X, Y, Z - standardowe barwy zdefiniowane w 1931r.

przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową, Y - z założenia luminancja, która jest fizyczną

miarą jasności barwy.

(43)

x X

X Y Z y Y

X Y Z z Z

X Y Z

= + + =

+ + =

, , + + Niech

punkty (

x,y,z

) leżą na płaszczyźnie X + Y + Z = 1

Trójkąt na płaszczyźnie X + Y + Z = 1, fragment przestrzeni CIE wyciętej przez trójkąt, widok trójkąta z frontu i po zrzutowaniu na płaszczyznę XY (wykres chromatyczności) [FOLE95].

(44)

Wykres chromatyczności Wykres chromatyczności

Wartości współrzędnych x, y barwy zależą tylko od odcienia barwy (H) i nasycenia (S).

Nasycenie barwy A A: S = AC / BC.

Barwę A A można otrzymać jako mieszaninę standardowego

światła białego (iluminant C - temperatura barwowa 6774K) i czystego spektralnego światła z punktu B B.

Dopełniające barwy D, D E mogą być zmieszane w celu E uzyskania C C.

F jest barwą niespektralną. F

(45)

Zastosowania wykresu chromatyczności

1. Definiowanie gamy barw 1.

urządzenia.

2. Porównywanie gamy barw 2.

różnych urządzeń w celu ograniczenia gamy barw urządzenia wejściowego do gamy barw urządzenia

wyjściowego (np. drukarki).

[FOLE95]

(46)

3. Rendering barw w celu przekształcenia wszystkich barw obrazu 3.

do gamy urządzenia wyjściowego.

a) b)

d) c)

a) nasyceniowa, b) percepcyjna, c) absolutna kalorymetrycznie, d) względna kalorymetrycznie [KAMI99].

(47)

6. Model barw

6. Model barw **Lab Lab** * *

Zawiera najszerszą

zdefiniowaną matematycznie przestrzeń barw, która

powstała w wyniku

transformacji matematycznej krzywoliniowego stożka CIE.

Najważniejszy model barw grafiki komputerowej,

wykorzystywany do obliczeń

na barwach przez systemy

zarządzania barwami CMS

(Color Management System).

(48)

CMS CMS - - system zarządzania barwami system zarządzania barwami ( ( Color Color Management Management System System ) )

Elementy CMS:

• niezależna od urządzenia przestrzeń barw (CIE Lab),

• profile barwowe urządzeń - zawierają informację

o modelu barw i gamie barw urządzenia oraz o odchyleniu barw od standardowego wzorca i sposobie ich korekcji do poprawnych wartości,

• dopasowanie barw (Color Matching Method) – mechanizm zarządzania zbiorem profili barwowych

urządzeń oraz dokonywanie konwersji z jednego modelu barw do drugiego,

• algorytmy renderowania barw - przekształcają barwy

obrazu do gamy barw urządzenia wyjściowego.

(49)

Przepływ danych Przepływ danych

Skaner

Monitor

Drukarka

Obraz RGB

Obraz CMYK Obraz

RGB

Profil skanera

Profil monitora

Profil drukarki

CMS

La*b*

(50)